下一代光刻機萬事俱備了？或?qū)⒂?025年首次部署
正如大家所熟知，光刻機下一個發(fā)展方向是引入High NA (0.55NA) EUVL，以實現(xiàn)低至 8nm 的半間距成像（half-pitch imaging）。
為了支持引入High NA EUVL，imec 和ASML 正在建立一個High NA EUV 實驗室，以滿足High NA 芯片制造商的早期開發(fā)需求。與此同時，我們正在與更廣泛的圖案化設備和材料供應商生態(tài)系統(tǒng)合作，以便能夠訪問 High NA 實驗室并準備 EUV 抗蝕劑材料、底層、干法蝕刻、光掩模、分辨率增強技術(shù) (RET) 和計量技術(shù)。”
在imec看來，當前的首要任務是確保High NA 工具的可用性。ASML 和蔡司在集成所有模塊和光學元件方面取得了顯著進展。盡管已經(jīng)為引入低 NA EUV 開發(fā)了許多與工藝相關(guān)的突破性解決方案，但仍需要進一步發(fā)展以有效引入High NA EUV。
除了High NA 工具之外，EUV 光刻膠開發(fā)仍然是 imec 與其生態(tài)系統(tǒng)合作伙伴的首要任務之一。High NA EUVL 的出現(xiàn)將進一步提高分辨率并減小特征尺寸，同時降低焦深。這當然會導致薄膜（film）厚度縮小，這需要實施新的光刻膠和underlayers，以優(yōu)化蝕刻過程中的 EUV 吸收和圖案轉(zhuǎn)移。
此外，imec認為還需要推動隨機粗糙度（stochastic roughness）的持續(xù)改進，在極端情況下，甚至是 EUV 圖案光刻膠的失敗（patterned resists）——這是我們幾年前發(fā)現(xiàn)的一種現(xiàn)象。過去，光刻膠圖案化性能通過分辨率、線邊緣粗糙度 (LER) 或局部 CD 均勻性 (LCDU) 和靈敏度（也稱為 RLS 參數(shù)）來表示。今天，考慮到隨機因素的重要性，圖案化性能已經(jīng)在早期開發(fā)階段通過第四個參數(shù)（失敗）進行評估，該參數(shù)反映了受隨機因素限制的工藝窗口尺寸。imec相信存，在減輕隨機失敗的解決方案由光刻膠系統(tǒng)誘導并擴大工藝窗口，同時降低劑量，他們打算與其合作伙伴一起在 High NA 實驗室展示這些新技術(shù)。
一條公式指導的行業(yè)
在ASML全球各地的辦公室，都粘貼著一個光學領(lǐng)域的公式——瑞利準則。
其中，CD （critical dimension）是臨界尺寸，用以衡量光刻系統(tǒng)可以印刷的最小結(jié)構(gòu)的尺寸；λ是光源的波長；NA為數(shù)值孔徑，表示光線的入射角；k1 一個是與光學和工藝優(yōu)化相關(guān)的常數(shù)。
如公式所示，為了讓CD更小，在k1不變的情況下，可以縮小λ，或者提高NA。這也正是過去多年光刻機光源從波長為365nm的i-line、KrF、ArF、ArF Immersion向波長為13.5nm的EUV演進的原因。
至于NA方面，按照ASML所說，使用較大NA 的透鏡/反射鏡，可以打印較小的結(jié)構(gòu)。而除了更大的鏡頭外，ASML還通過在最后一個鏡頭元件和晶圓之間保持一層薄薄的水膜，利用水的breaking index 來增加 NA（所謂的浸沒系統(tǒng)），從而增加了我們 ArF 系統(tǒng)的 NA。而在波長向 EUV 邁進之后，ASML 也正在開發(fā)下一代 EUV 系統(tǒng)——EUV 0.55 NA（高 NA），我們將數(shù)值孔徑從 0.33 提高到 0.55。
ASML解析道，光刻系統(tǒng)本質(zhì)上是一個投影系統(tǒng)。例如在其DUV 系統(tǒng)中，光線通過將要打印的圖案藍圖（稱為“mask”或“reticle”）投射；而在EUV 系統(tǒng)中，光通過reticle反射。通過在光中編碼圖案（pattern encoded），系統(tǒng)的光學器件會收縮（shrink）并將圖案聚焦到光敏硅片上。圖案打印完成后，系統(tǒng)會稍微移動晶圓，并在晶圓上制作另一份副本。
在芯片制造過程中，光刻機不斷重復這個過程，直到晶圓被圖案覆蓋，完成晶圓芯片的一層。要制作完整的微芯片，需要逐層重復此過程，堆疊圖案以創(chuàng)建集成電路 (IC)。按照ASML解析說，最簡單的芯片有大約 40 層，而而最復雜的芯片可以有 150 多層。
“要打印的特征的大小因?qū)佣悾@意味著不同類型的光刻系統(tǒng)用于不同的層——我們最新一代的 EUV 系統(tǒng)用于具有最小特征的最關(guān)鍵層，而我們的 ArFi， ArF、KrF 和 i-line 系統(tǒng)可用于具有較大特征的不太關(guān)鍵的層。”ASML在財報中說。
如上文所說，為了在關(guān)鍵層做更小的CD，ASML正在推進數(shù)值孔徑為0.55的High-NA光刻機，Martin van den Brink表示，客戶將在2024到2025間在其上面進行研發(fā)，并有望在2025到2026年間進行大規(guī)模量產(chǎn)。
供給側(cè)跟進
隨著EUV光刻技術(shù)變得越來越重要，ASML的優(yōu)勢也越發(fā)明顯。不過，光刻機供貨商除ASML之外，還有日本廠商尼康（Nikon）和佳能（Canon），這兩家在深紫外線（DUV，光源波長比EUV長）的光刻技術(shù)上能與ASML競爭，但ASML作為企業(yè)龍頭，在DUV光刻領(lǐng)域，也擁有62％的市場份額。
目前，雖然只有ASML一家能生產(chǎn)EUV光刻機，但由于其技術(shù)過于復雜，也需要與業(yè)內(nèi)的半導體設備廠商和科研機構(gòu)合作，才能生產(chǎn)出未來需要的更先進EUV設備。
例如，不久前，東京電子（TEL）宣布，向imec-ASML聯(lián)合高 NA EUV 研究實驗室推出其領(lǐng)先的涂布機，該設備將與 ASML 的下一代高NA EUV光刻系統(tǒng)NXE:5000 集成。
與傳統(tǒng)的 EUV 光刻相比，高 NA EUV 光刻有望提供更先進的圖案縮放解決方案。被引入聯(lián)合高 NA 實驗室的涂布機/顯影劑將具有先進的功能，不僅與廣泛使用的化學放大抗蝕劑和底層兼容，而且還與旋涂含金屬抗蝕劑兼容。旋涂含金屬抗蝕劑已表現(xiàn)出高分辨率和高抗蝕刻性，有望實現(xiàn)更精細的圖案化。然而，含金屬的抗蝕劑還需要精密的圖案尺寸控制以及芯片背面和斜面的金屬污染控制。為了應對這些挑戰(zhàn)，安裝在聯(lián)合高 NA 實驗室的涂布機/顯影劑配備了能夠處理含金屬抗蝕劑的前沿工藝模塊。
結(jié)合新的工藝模塊，TEL Coater/Developer 的單個單元可以在線處理多種材料，包括化學放大抗蝕劑、含金屬抗蝕劑和底層。這將實現(xiàn)靈活的晶圓廠運營。
今年下半年，ASML推出了最新0.33數(shù)值孔徑EUV光刻機NXE：3600D，每小時曝光產(chǎn)量（throughput）預估可提升至160片，2023年再推出NXE：3800E可將每小時曝光產(chǎn)量提升到195～220片。
至于0.55高數(shù)值孔徑的下一代EUV技術(shù)預計2025年后進入量產(chǎn)，支援1.5nm及1nm邏輯制程，以及最先進的DRAM制程。
在今年第二季度的電話會議上，ASML 首席執(zhí)行官 Peter Wennink 表示，該公司計劃今年生產(chǎn)約40臺EUV光刻機，并將在2022 年擴大到55臺，2023 年將產(chǎn)量增加到60臺。
要生產(chǎn)EUV設備，ASML需要從德國蔡司公司采購系統(tǒng)所需的鏡頭，然而，它每年可以采購的鏡頭數(shù)量有限，這導致系統(tǒng)的交貨時間很長。對此，Peter Wennink表示，該公司的EUV設備交付周期也將從之前的18至24個月縮短至12至 18個月。
Wennink 表示，其三大 DRAM 客戶都計劃使用 EUV 進行量產(chǎn)。到 2021 年，這些公司預計將總共花費 12 億歐元來購買 EUV 系統(tǒng)。他補充說，未來向這些公司的 EUV 出貨量將增加。
ASML已經(jīng)開始生產(chǎn)其NXE 3600D新型EUV設備，與之前的3400C相比，該系統(tǒng)的生產(chǎn)率提高了15%到20%，覆蓋率提高了30%。
今年第二季度，ASML的銷售額為40億歐元，凈利潤為10億歐元，比2020年第二季度分別增長20%和38%。該公司的訂單與上一季度相比增長了 75%，達到 83 億歐元，其中 49 億歐元用于EUV設備。
韓國占ASML銷售額的39%，其次是中國臺灣的35%。該公司預計2021年的銷售額將比 2020年增長35%。
Hyper NA成為可能
在去年九月接受荷蘭媒體bits-chips采訪的時候Martin van den Brink曾直言：“光刻技術(shù)的過渡期很糟糕。因為如果你搞砸了，事情就會變得一團糟，尤其是現(xiàn)在這個組織已經(jīng)這么大了。”他同時也指出，和從DUV向EUV演進不一樣，對于High-NA光刻機，風險會小很多，這主要是因為設備上的基礎(chǔ)設施改變不大。
“開發(fā)High-NA 技術(shù)的最大挑戰(zhàn)是為 EUV 光學器件構(gòu)建計量工具。High-NA 反射鏡的尺寸是前一代產(chǎn)品的兩倍，并且需要在 20 皮米內(nèi)保持平坦。要實現(xiàn)這些目的，需要在一個大到‘你可以在其中容納半個公司’的真空容器中進行驗證。”Martin van den Brink說。
Martin van den Brink表示，在2017年剛開始啟動High NA EUV項目的時候，他認為這將是EUV光刻機的最后一個NA，因為當時的他認為，High NA來得太晚了，沒有足夠的微縮能夠來收回投資。他同時還透露，最開始其合作伙伴蔡司也不是很想?yún)⑴c這個項目。
雖然困難重重，但High NA EUV光刻機就快成為現(xiàn)實了。正如報道中所說，半導體業(yè)界還想知道的一個事情是，High-NA是否還有繼任者。
報道指出，ASML 的技術(shù)副總裁 Jos Benschop 已經(jīng)在2021年的 SPIE 高級光刻會議上透露，可能的替代方案，即波長的新臺階，不是一個選擇。這與角度有關(guān)——EUV 反射鏡反射光的效率在很大程度上取決于入射角。波長的降低會改變角度范圍，這樣透鏡就必須變得太大而無法補償。雖然ASML 正在研究它，但Van den Brink表示，就個人而言，他不認為 hyper-NA 會被證明是可行的。“我們正在研究它，但這并不意味著它會投入生產(chǎn)。多年來，我一直懷疑 high-NA 將是最后一個 NA，而且這個信念沒有改變。”Van den Brink說。
據(jù)他所說，從技術(shù)上看，hyper-NA（高于0.7，可能是0.75）理論上是可以做到的。但他也同時提出：市場上還有多少空間可以容納更大的鏡頭？我們可以出售這些系統(tǒng)嗎？他在當時還強調(diào)，如果Hyper-NA 的成本增長速度與我們在 high-NA 中看到的一樣快，那么它在經(jīng)濟上幾乎是不可行的。
但是，在日前的財報中，Van den Brink說，我可以談論 NA 高于 0.7 的 EUV（稱為 Hyper NA）可能在本十年結(jié)束后不久成為現(xiàn)實（I could talk about EUV with an NA higher than 0.7 (known as Hyper NA) potentially becoming a reality shortly after the end of this decade）；。然而，接下來最合適的指南實際上是：這一切都取決于成本。我們需要越來越多地關(guān)注降低成本——這意味著不是減少資源，而是確保我們推向市場的解決方案更簡單、更可持續(xù)、更有效、更易于維護、更易于制造且更具可擴展性。
Van den Brink強調(diào)，如果我在不了解對這些產(chǎn)品施加的成本和復雜性限制，就貿(mào)貿(mào)然轉(zhuǎn)向下一個產(chǎn)品是不負責任的。這也正是ASML對將于 2023 年上市的新型光學計量系統(tǒng)所做的。公司在緊張的成本參數(shù)范圍內(nèi)重新審視了這個項目，并且已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)比以前更具成本效益許多倍的新技術(shù)。同樣，ASML正在繼續(xù)努力控制當前0.33 NA EUV 系統(tǒng)以及High-NA 和 Hyper-NA 系統(tǒng)的成本，以確保微縮的需求仍然強勁。
“十年前，當我們開發(fā) High-NA 時，我們無法想象 NA 超過 0.55 甚至存在。所以 Hyper-NA 是非常非常難以實現(xiàn)的。很棒的是我們的業(yè)務和研發(fā)能力可以同時處理所有這些事情。我們可以開發(fā)像 Hyper-NA 這樣的技術(shù)，同時關(guān)注成本控制、簡單性、可持續(xù)性、可制造性和可維護性。”Van den Brink在財報中說。
換而言之，Hyper-NA EUV光刻機可能真的要成為現(xiàn)實了。
